Additive Fertigung Mit 3D-Druck schneller zum passenden Verbindungssystem

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Der 3D-Druck ist eine relativ neue Fertigungsmethode, die die Grenzen des Machbaren stark erweitert hat. Was er in der Verbindungstechnik leisten kann, verrät dieser Beitrag.

Funktionsoptimierte und nachhaltige Verbindungssysteme, hochkomplexe Fließpressteile, Engineering sowie Zuführ- und Verarbeitungsprozesse sind das Metier von Arnold Umformtechnik, ein Unternehmen, dass sich als Entwicklungspartner für OEMs und Zulieferer der Automobil- und Elektroindustrie etabliert hat. Jetzt steigt das Unternehmen in die Welt der additiven Fertigung ein. Das Ziel des neuen Weges ist, das klassische Leistungsportfolio durch schnelle und passgenaue Komponenten zu ergänzen, die per 3D-Druck gefertigt werden, um die Anwender noch besser zu unterstützen.

Eingesetzt wird bei Arnold Umformtechnik das SLM-Verfahren (Selective Laser Melting), also das schichtweise Auftragen von Pulver und das partielle Verschweißen mit der Energie eines Laserstrahls. Verarbeitet werden dabei alle am Markt gängigen Werkstoffe.

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3D-Druck schafft neuartige Verbindungsmöglichkeiten in Rekordzeit

„Durch die additive Fertigung genießen wir konstruktiv einen Gestaltungsfreiraum, der gigantisch ist – bei teils sehr moderaten Kosten. Weil außerdem keine Formen oder Werkzeuge für die Bauteilherstellung angefertigt werden müssen, sind Lieferzeiten erreichbar, die nur einen Bruchteil der bisherigen ausmachen“, fasst Uwe Wolfarth, Senior Director Research, Development and IP bei Arnold Umformtechnik, die Vorteile der additiven Fertigung für die Verbindungstechnik zusammen. Für ihn ergeben sich daraus zwei Vorteile für Verbindungssysteme: Erstens können Innovationen entwickelt werden, die später in der Serie einsetzbar sind – beispielsweise in der Verarbeitungstechnik von Verbindungselementen. Zweitens können Prototypen und auch Kleinserien von neuen Verbindungselementen hergestellt werden, was auch noch in sehr kurzer Zeit und in großer Variantenzahl machbar ist. Dadurch können die Entwicklungszeiten deutlich reduziert werden.

Norm- und fachgerechte Fertigung im Hause Arnold Umformtechnik

Ein wichtiger Punkt, der sich auf die ganze Prozesskette mit Blick auf das Verbindungselement auswirkt, ist, dass alles, was ausgehend von der additiven Teilefertigung hergestellt wird, letztendlich auch im Hause Arnold bis zum letzten Step fertiggestellt werden kann. Das bedeutet, es können Wärme- und Oberflächenbehandlungen durchgeführt oder funktionalisierende Beschichtungen aufgetragen werden (etwa Gleitschichten). „Alles, was ein Kunde von einem konventionell hergestellten Verbindungselement kennt, können wir auch umsetzen. Dazu gehört auch die entsprechende Validierung. Das heißt, Die Prozesse werden bei Arnold entsprechend der vorliegenden Lizensierungen auch norm- und fachgerecht ausgeführt“, betont Wolfarth mit Blick auf die Bauteilqualität. Dieses unterscheide den Verbindungselementespezialisten schließlich von reinen 3D-Druck-Dienstleistern. Nicht zu vergessen: Speziell in der Automobilindustrie ist eine normkonforme Absicherung der Prozesse essenziell. Anwender können folglich gewisse Prozesse auslagern und erhalten bei Bedarf alles von Arnold.

Ein sehr wichtiger Aspekt mit Blick auf additive Fertigungsverfahren ist nach Meinung von Wolfarth auch, dass die Sicherheit des Bauteiles gewährleistet wird. „Es ist schließlich ein Unterschied, ob ich eine Schraube drucke, mit der ich einen Bremssattel befestige oder eine mit der ich nur eine Zierblende befestige“, präzisiert Wolfarth.

Um das Einsatzspektrum des 3D-Drucks und die Grenzen des Verfahrens zu definieren, laufen bei Arnold derzeit Untersuchungen, mithilfe derer die geometrischen und mechanischen Eigenschaften von additiv hergestellten Verbindungselementen mit denen aus konventionellen Produktionsverfahren verglichen werden können.

Die Additive Fertigung bringt zusätzliche Vorteile für die Verbindungstechnik

Der 3D-Druck soll bei Arnold künftig auch das bisherige Rapid Manufacturing (Fastener Express) ergänzen beziehungsweise diesem vorgeschaltet werden. In diesem Bereich werden jetzt auf konventioneller Fertigung basierende, möglichst seriennahe, Erstmuster und Vorserienmuster hergestellt. Per additiver Fertigung können dann in sehr kurzer Zeit Funktionsmuster hergestellt werden. Hat der Kunde sie erfolgreich getestet, können die Ergebnisse im nächsten Schritt beim Rapid Manufacturing mit den traditionellen Prozessen für seriennahe Teile in die Realität umgesetzt werden. Die Entwicklungszeit wird dadurch deutlich verkürzt.

Wolfarth dazu: „Wir können mit der additiven Fertigung an verschiedene Leistungsbereiche und Arnold-Kompetenzen anknüpfen. Außer dem Rapid Prototyping gehören auch Engineering-Prozesse, wie beispielsweise Designprozessen oder die konstruktive Begutachtung dazu.“

Nicht nur der Bereich Verbindungselemente könne vom Einsatz der additiven Fertigung profitieren, denn auch für andere Bauteile oder -gruppen aus dem Arnold-Portfolio würden sich Vorteile ergeben. Zusatznutzen könne etwa durch die Weiterbearbeitung der Teile mittels Fräsen, Erodieren oder durch Oberflächenbearbeitungen erreicht werden.

Dass durch den 3D-Druck viele Konstruktionsfreiräume möglich werden, steht jedenfalls auch für Arnold fest. Mit einer sich anschließenden FEM-Simulation wird deshalb bei bestimmten Anwendungen untersucht, ob die gedruckten Bauteile auch dem Lastenheft entsprechen.

Der 3D-Druck fordert Verbindungstechnikexperten aber auch heraus

Ganz wichtig bei der additiven Fertigung ist es (wie man sich denken kann), zu verstehen, welche Anforderungen das Bauteil am Ende erfüllen muss. Denn das hochflexible Verfahren bietet nicht nur enorm viele Vorteile, sondern stellt die Spezialisten auch vor vielfältige Herausforderungen. Es geht nämlich nicht allein darum, eine Geometrie auszutauschen. Der Anwender hat oft ein Bild vom Teil „im Kopf“, welches er aus traditionellem Verständnis heraus entwickelt hat. Deshalb ergibt sich oft eine Idee, die sich aber aus den Limitierungen der traditionellen Fertigung herauskristallisiert hat. „Die wichtigste Aufgabe ist es, die eigentliche Funktion gemeinsam mit dem Anwender klar zu definieren. Dann erst geht es darum, festzulegen, wie man auf dem schnellsten Weg genau diese Funktion beim Bauteil fertigungstechnisch abbilden kann“, merkt Wolfarth an. Was dann dabei herauskommt, ist oft rein optisch und geometrisch ein ganz anderes Bauteil, führt er weiter aus. Dennoch funktioniert es bestens. Das gemeinsame Vertrauen in die neue Fertigungstechnik ist deshalb ganz wichtig. Und je früher jemand mit einer Aufgabenstellung komme, desto günstiger werde es letztendlich für ihn.

Die additive Fertigung pusht die kommende Individualisierungswelle

Und welche Anwendungen respektive Branchen stehen bei Arnold jetzt im Fokus der additiven Fertigung? Nun, das Ziel ist es auch hier, die verschiedenen Arnold-Kompetenzfelder mit der additiven Fertigung zu verknüpfen. Wolfarth kann sich Anwendungen aus dem Bereich des allgemeinen Maschinenbaus genauso vorstellen wie hauseigene Einsatzfelder. Man denke beispielsweise an Automatisierungskomponenten. „Kürzlich haben wir einen Einpressprozess für die Applikation und das Verbinden von Elektronikkomponenten weiterentwickelt. Die Einpresswerkzeuge haben wir komplett gedruckt“, betont Wolfarth.

Fest steht, dass die Schwelle, ab der die additive Fertigung wirtschaftlich wird, sich mit der Weiterentwicklung der Systeme und Verfahren in Richtung „schneller“ verschieben wird – auch wenn es im Bereich Verbindungselemente in der Masse vorerst eher Prototypen sein werden, oder Bauteile, deren Herstellung so schneller gelingt. Interesse am Einsatz des neuen Verfahrens bei Arnold Umformtechnik und an der Verknüpfung mit dem Know-how des Unternehmens gebe es jedenfalls bereits. Und mit Blick in die Zukunft konstatiert der Arnold-Spezialist Wolfarth: „Ich bin sicher, dass wir in etwa zehn Jahren bei Fahrzeugen, die in kleinen Stückzahlen gebaut werden, viel mehr additiv gefertigte Teile finden werden, als heute. Sowohl aus Metall als auch aus Kunststoffen. Und es wird eine Individualisierungswelle geben, die mit diesen Verfahren einfacher Fahrt aufnehmen sollte.“

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